ITRM950621A1 - Composizione cementizia a presa rapida - Google Patents
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Abstract
Composizioni cementizie a presa rapida comprendono cemento idraulico ed almeno il 4% in peso, sulla base del peso del cemento, di un citrato, malato o citramalato solubile in acqua, oppure un loro miscuglio. Si preferiscono i citrati, malati e citramalati di metalli alcalini. Le composizioni sono specialmente utili come cemento cosiddetto "shotcrete".
Description
"Composizione cementizia a presa rapida"
La presente invenzione si riferisce alle compo sizioni cementizie a presa rapida e più particolarmen te all'impiego di certi composti chimici in qualità di agenti di presa rapida nella formulazione di tali composizioni .
Le composizioni cementizie a presa rapida sono materiali desiderabili e largamente usati, particolar mente In applicazioni note come costruzioni di rivestimenti e rifacimenti di rivestimenti, in cui uno strato continuo di modesto soessore di una composizio ne cementizia viene applicato ad una superficie. Una procedura comune nella quale composizioni cementizie a presa rapida vengono impiegate è quella della "shot creting", l'applicazione di calcestruzzo ad una super ficie mediante spruzzatura da un ugello. Altre applicazioni per le composizioni cementizie a presa rapida comprendono le composizioni di sigillatura a base di cemento e le malte a presa rapida. In tutte queste ap plicazioni, la composizione cementizia deve indurire raDidamente allo scopo di mantenere la sua posizione così come applicata.
Il particolare agente di presa rapida usato in composizioni cementizie a presa rapida influenzerà nu merosi criteri di comportamento di interesse per l in dustria. Non soltanto l'agente in questione deve promuovere una rapida presa entro certi limiti di temoo, ma questa presa rapida viene anche convenientemente realizzata con quantità economicamente convenienti di un agente di presa rapida. In aggiunta, il rapido sviluppo delle proprietà di resistenza meccanica, che non deriva semplicemente per effetto della presa rapi da, è un criterio di comportamento importante per un agente di presa rapida. La capacità di continuare lo sviluppo iniziale della resistenza meccanica fino ad una elevata resistenza meccanica finale è anche un obiettivo desiderabile.
Gli agenti di presa rapida sono stati tradizionalmente costituiti da soluzioni fortemente alcal ne di silicati ed alluminati, gli alluminati tendendo ad essere migliori dei silicati sotto l'aspetto di fornire un iniziale rapido sviluppo della resistenza meccanica. Ambedue i composti, tuttavia, sono di natu ra caustica e questa natura caustica da origine a preoccupazioni per la salute umana e per l'ambiente.
Uno scopo nel settore del cemento è quello di fornire delle alternative agli attuali agenti di presa rapida e particolarmente fornire degli agenti di presa rapida non caustici i quali permettano un rapido iniziale sviluppo della resistenza meccanica ed al_ tre proprietà convenienti.
In conformità con l'invenzione, è stato constai tato che i sali idrosolubili di acido citrico, acido malico (acido idrossibutandioico) ed acido citramalico (acido 2-idrossi-2-metilbutandioico), in particola, re i sali con metalli alcalini, sono specialmente ut li come agenti di presa rapida nelle composizioni cementizie. Questa è una scoperta sorprendente dato che tali acidi ed i loro sali con metalli alcalini sono ben noti nel settore come agenti di rallentamento del cemento.
L'invenzione, pertanto, fornisce sotto un suo aspetto maggiore delle composizioni cementizie a presa rapida comprendenti cemento idraulico ed almeno il 43⁄4 in peso del cemento di un sale solubile in acqua di acido citrico, acido malico o citramalico oppure loro miscugli. Queste composizioni saranno applicate mescolate con acqua sufficiente per la presa idraulica del cemento. Con la presente invenzione si ottiene sia una presa molto rapida sia un rapido e buon sviluppo della resistenza meccanica.
In un'altra forma di realizzazione, le composi_ zioni della presente invenzione consistono essenzialmente di cemento idraulico e di almeno 4% in peso del cemento di un sale solubile in acqua di acido citrico, acido malico o citramalico o loro miscugli.
Un sale di acido citrico, acido malico o citra malico è, per gli scopi della presente invenzione, de finito come una molecola acida in cui tutti i gruppi acidi hanno la forma di salì, vale a dire un sale tri_ plice nel caso dell'acido citrico ed un sale doppio nel caso di acido malico o citramalico. Le forme preferite dei sali solubili in acqua sono ì sali con metalli alcalini, particolarmente i sali con sodio, potassio e litio. Gli agenti di presa rapida particolare mente preferita sono citrato di sodio, citrato di potassio, malato disodico, cltramalato disodico, malato dipotassico e citramalato dipotassico, nonché i loro miscugli, essendo di massima preferenza il citrato di potassico, il malato dipotassico oppure il citramalato dipotassico. Tuttavia, i sali di litio possono essere preferiti nel caso in cui si abbia interesse alla reazione alcali-silice, poiché è ben noto che i Sa li di litio inibiscono la reazione alcali-silice.
I sali di acido citrico, di acido malico e citramalico usati nell'invenzione possono essere preparati prontamente oppure possono essere usate le varie tà reperìbili in commercio. I sali degli acidi sono preferibilmente aggiunti alle composizioni cementizie come soluzioni acquose, generalmente con concentrazio ne di circa 503⁄4 in peso di sale, anche se la concentrazione non è critica. Per i sali<' >aventi una minore solubilità, per esempio i sali di litio, le concentra zioni possono essere inferiori al 50% in peso. In ge nerale, almeno il 4% in peso di citrato, malato o citramalato, oppure loro miscugli, solubili in acqua, sulla base del peso del cemento idraulico, è richiesto per ottenere l'azione di presa rapida realizzabile con la presente invenzione. Quando un citrato, malato o citramalato viene impiegato in quantità di 4% o più, esso accelererà rapidamente la presa del cemen to. Quantità sostanzialmente maggiori fino al 20% in peso o più possono essere impiegate, in dipendenza dalla formulazione finale, dagli obiettivi e dalle condizioni di uso. Desiderabilmente, viene impiegato almeno il 5% di citrato, malato o citramalato solubile in acqua, sulla base del peso del cemento, quantità maggiori del 10% essendo inutili nella maggior par te delle applicazioni. PreferibiImente, la quantità di citrato, malato o citramalato è compresa nell'intervallo fra 5,0 e 8,5%, più usualmente fra 5,5 e 8,0%, in base al peso del cemento idraulico. Tuttavia, la persona esperta può facilmente accertare il materiale appropriato e la relativa quantità in una qualsiasi data combinazione di circostanze.
In generale, i citrati, malati e citramalati solubili in acqua, largamente in dipendenza dalla quantità impiegata, possono essere usati per fornire un effetto di presa rapida, come si desidera, in una varietà di applicazioni. Quindi, può essere facilmente realizzato un tempo di presa iniziale non superiore a 20 minuti, misurato con la procedura C266 del sistema ASTM. Tempi di presa nell'intervallo fra 10 secondi e 5 minuti, preferibilmente fra 30 secondi e 5 minuti, come sono comuni nelle applicazioni di shot creting, sono facilmente realizzati mediante l'aggiun ta dei citrati, malati o citramalati solubili in acqua secondo la presente invenzione. Ancora, ciò rientra perfettamente nell'esperienza del settore.
Il cemento idraulico impiegato nelle composizioni dell'Invenzione può essere scelto da un’ampia gamma di miscele minerali di alluminosilicato di calcio disponibili in commercio, che, quando mescolate con acqua, si induriranno per dar luogo ad un prodotto duro. Il tipo più comune di cemento idraulico è il cemento portland, vale a dire il cemento portland dei tipi I-1V, e, per gli scopi della presente invenzione, il cemento portland è il cemento idraulico preferito.
In aggiunta al cemento, le composizioni secondo l'invenzione possono includere altri ingredienti comunemente presenti nelle composizioni cementizie a presa rapida ed altri additivi per cementi che non in terferiscano sostanzialmente con la capacità di presa rapida delle composizioni dell invenzione. Un ingrediente comune delle composizioni cementizie a presa rapida è un aggregato, in modo speciale un aggregato fine, come sabbia e simili. Gli aggregati di pietrisco in grani (diametro massimo di circa 0,95 cm (0,375 pollici)) e simili possono anche essere usati in applicazioni di shotcrete con convenienti ugelli. Gli aggregati grezzi possono anche essere usati in applicazioni di presa rapida. Nelle applicazioni tipiche, la quantità dell'aggregato, per esemplo l'aggregato fine, come la sabbia silicea, sarà presente in un rap porto in peso rispetto al cemento compreso fra 0,5:1 e 6:1, più usualmente fra 1,2:1 e 5:1 e particolarmen te fra 1,5:1 e 4,5:1. Possono anche essere usati aggregati di peso più leggero, come la perllte e simli. Possono anche essere inclusi una varietà di altri materiali non classificati come aggregati. Esempi di ta li materiali sono il fumo di silice, 1 siliconi e le fibre, per esempio fibre di vetro e di acciaio. Gli agenti che forniscono coesione o legano la composizio ne cementizia applicata, per esempio gli alcool polivinilici, possono anche essere inclusi.
La quantità di acqua da includere nelle composizioni a presa rapida secondo l'invenzione varierà in dipendenza dalla particolare applicazione e di altri fattori noti, però è sempre sufficiente per la presa idraulica del componente cementizio. La quantità di acqua usata nell'applicazione shotcrete è usual_ mente controllata per evitare una indesiderata fluidi tà. Quindi, la quantità di acqua nelle composizioni di shotcrete usualmente varierà fra il 2G% ed il 60%, più usualmente fra il 30% ed il 45%, sulla base del peso del componente di cemento Idraulico. Poiché i citrati, i malati ed i citramalati solubili in acqua hanno dimostrato di avere un effetto di dispersione dei solidi, la quantità di acqua può essere inferiore a quella altrimenti indicata per particolari applicazioni. In altre applicazioni, maggiori quantità di ac qua rispetto a quelle usate in una applicazione di shotcreting possono essere Impiegate per fornire la desiderata fluidità. Altri additivi per cementi dest_i_ nati a mantenere la fluidità possono anche essere usa ti, ma, in generale, le composizioni reailzzeranno una rapida presa iniziale in non più di 20 minuti, preferibilrnente non più di 15 minuti, sotto l'influeri za del citrato, malato o citramalato solubile In acqua, quando impiegati in quantità del 43⁄4 in peso dei cemento oppure in quantità maggiori.
Le composizioni ed il metodo di presa rapida secondo l'invenzione sono particolarmente utili in ap plicazioni di shotcrete. L'operazione di shotcreting può essere eseguita impiegando una composizione cemen tizia a mescola secca (il sistema di mescola secca) oppure una composizione cementizia a mescola umida (il sistema di mescola ad umido), come verrà descritto nel seguito.
a) Il sistema di mescolamento a secco è quello in cui cemento ed aggregato mescolati a secco vengono pneumaticamente convogliati attraverso un tubo fless_i_ bile di erogazione, con acqua e con un agente dì presa rapida che vengono aggiunti generalmente in prossi_ mità del complesso dell'ugello oppure a monte dello ugello, immediatamente prima del passaggio nel complesso dell'ugello (l'agente di presa rapida può essi re aggiunto nel punto di mescolamento, invece che in posizione prossimale all'ugello, ma ciò è relativamen te raro). Il miscuglio viene applicato sulla richiesta superficie in vicinanza dell'ugello, proiettando pneumaticamente il miscuglio fuori dell'ugello sotto pressione, per esempio per mezzo di aria compressa. Con il sistema di mescolamento a secco, è difficile controllare la quantità di acqua aggiunta e pertanto controllare il rapporto fra acqua e cemento (a cui nel seguito viene fatto riferimento come rapporto W/ C). Il procedimento presenta anche l'ulteriore inconveniente che viene generata polvere.
b) Il sistema di mescolamento ad umido è un sistema in cui il cemento e l'aggregato vengono mesco lati in presenza di acqua ed il miscuglio viene pompa to attraverso un tubo flessibile di erogazione fino ad un ugello e quindi viene pneumaticamente espulso dall'ugello, un agente di presa rapida essendo aggiun. to nel complesso dell'ugello oppure a monte dell'uge_l_ Io, Immediatamente prima del passaggio nell'ugello. Vi sono anche esempi di questo sistema in cui la composizione cementizia può essere pompata, piuttosto che pneumaticamente convogliata, fino ad un punto a metà strada fra il punto di mescolamento e l'ugello nel tubo flessibile di erogazione, seguito da convogliamento pneumatico fra questo punto intermedio e lo ugello. Il sistema consente un buon controllo del rap porto W/C e genera poca polvere.
Le pressioni impiegate nella erogazione pneuma. tica delle composizioni cementizie in una applicazione di shotcreting generalmente sono comprese fra 60 e 140 libbre per pollice quadrato (413-965 KPa) e sono usualmente comprese fra 80 e 120 psi (551-827 KPa).
Un procedimento particolarmente utile per impiegare gli agenti di presa rapida basati su acido Ileo o citramalico secondo la presente Invenzione in una applicazione di shotcreting consiste nell'aggiungere meno di una quantità accelerante di un sale solu bile in acqua di acido malico o citramalico inizialmente dopo l'impasto della composizione cementizia e quindi aggiungere un ulteriore quantitativo accelera^ te del sale solubile in acqua di acido malico o dì acido citramalico in prossimità dell'ugello, cosi come descritto nella domanda di brevetto statunitense copendente No. di Serie 08/309.277. Se lo si desidera, un agente modificatore di reologia, capace di imparti_ re proprietà tissotropiche alla composizione cementizia, può essere aggiunto come descritto nella summenzionata domanda di brevetto statunitense No. di Serie 08/309.277.
I seguenti esempi semplicemente dimostrano la invenzione e non sono da interpretare per limitarla. Negli esempi, il tempo di presa e le misurazioni della resistenza meccanica alla compressione sono confort mi alle procedure C 266 e C 109 della American Society for Testing and Materials, rispettivamente. Tutte le misurazioni sono state effettuate a temperatura ambiente. Negli esempi, i tempi di presa sono determina ti a partire dal momento in cui il citrato, malato o citramalato viene mescolato con il cemento.
ESEMPIO 1
La procedura dì mescomamento simula la scala temporale di un'applicazione di shotcreting con mesco lamento ad umido, in modo tale che la malta viene pre limlnarmente mescolata e l'acceleratore di shotcrete, aggiunto sull'ugello, viene mescolato con la malta soltanto per un breve momento.
In un sacchetto di plastica, 3.000 grammi di una mescola di malta (ingredienti secchi), consistente di 590 grammi di ordinario cemento portland, 30 grammi di fumo dì silice e 2.380 grammi di sabbia di sìlice vengono mescolati. Approssimativamente il 75% di un totale di 205,5 grammi di acqua di mescolamento vengono collocati nella vaschetta di mescolamento di un miscelatore Hobart. Gli ingredienti secchi mescola ti vengono quindi aggiunti. Il mescolatore viene avviato a bassa velocità e la malta viene mescolata per 2 minuti. Durante questo tempo, ì 35,4 grammi di citrato di potassio {6% in peso del cemento) vengono disciolti nella restante acqua di mescolamento. Il tutto viene aggiunto nella vasca di mescolamento alla conclusione del ciclo di mescolamento iniziale di 2 minuti e la malta viene mescolata per un'altro minuto. Provini sperimentali vengono quindi gettati immediata mente. Le misurazioni del tempo di presa e della resi_ stenza meccanica alla compressione sono conformi alle procedure C 266 e C 109, rispettivamente, del sistema della American Society for Testing and Materials, con i seguenti risultati.
Tempo di presa a 16°C /- 0,5°C (61°F /- 1°F) Finale: 7 minuti
Resistenza alla compressione a 16°C (61°F)
ESEMPIO 2
L'Esempio 1 viene ripetuto con eccezione per il fatto che l'esperimento viene eseguito ad una temperatura di 51,3°F e la quantità di citrato di potassio viene aumentata all'83⁄4 in peso del cemento. Le proprietà di tempo di presa e resistenza meccanica, misurate con le procedure C 266 e C 109 del sistema ASTM, rispettivamente, sono le seguenti.
Tempo di presa a 10,6°C /- 0,5°C (51°F /- 1°F) Finale: 5 minuti
Resistenza alla compressione a 16°C (610F)
ESEMPIO 3
In esperimenti di impasti cementizi (100 grammi di cemento portland e 35 grammi di acqua deionizz^ ta), il 5% di citrato di potassio ed il 53⁄4 di citrato di litio (sulla base del peso del cemento) vengono singolarmente valutati con i seguenti tempi registrati con un apparecchio a spillo Vicat.
Seguendo la procedura generale dell'Esempio 1, una mescola di malta per shotcrete viene preparata in
modo da contenere 122 grammi di cemento portland Ashgrove Tipo I, 220 grammi di sabbia silicea, 40 grammi di acqua e 7 grammi di citrato di potassio. La sabbia ed II cemento vengono mescolati Insieme e quin di mescolati con una soluzione del citrato nell'acqua. La risultante comDOSizione presenta una presa iniziale di 30 secondi (ASTM C 266) ed una resistenza alla compressione dopo 1 ora di 1800 psi (ASTM C 109).
ESEMPIO 5
In un sacchetto di plastica, vengono rimescola ti insieme 2775 grammi di mescola di malta (ingredien ti secchi), consistente di 740 grammi di ordinario ce mento portland e 2035 grammi di sabbia silicea. Approssimativamente il 50% di un totale di 333 grammi di acqua di mescolamento vengono collocati nella vasca di mescolamento di un mescolatore Hobart. Gli ingredienti secchi mescolati vengono quindi aggiunti. Si sciolgono quindi 44,4 grammi di malato dipotassico (6% in peso di cemento) nella restante acqua di mesco lamento e si aggiunge quindi il tutto nella vasca di mescolamento. La malta viene quindi rimescolata per 3 minuti. Dei provini sperimentali vengono quindi getta ti immediatamente e si determina che essi hanno le se guenti proprietà:
Tempo di presa iniziale: 7 minuti..
Tempo di presa finale: 9 minuti
Resistenza alla compressione PSI (MPa):
1 ora 673 (4,64)
4 ore 1525 (10,52)
1 giorno 2739 (18,89)
7 giorni 4411 (30,42).
ESEMPIO 6
Una mescola di malta preparata in conformità con la Drocedura ASTM C 109 viene preDarata in modo da contenere l'8,5% di malato dipotassico sulla base del peso del cemento con un rapoorto fra acqua e cemento di 0,45 e si determina che essa presenta le seguenti proprietà:
Tempo di presa iniziale: 4 minuti
Tempo di presa finale: 6,5 minuti
Resistenza alla compressione PSI (MPa):
1 ora 863 (5,95)
4 ore 1840 (12,69)
1 giorno 3040 (20,94)
7 giorni 4081 (28,14)
ESEMPIO 7
Una mescola di malta viene preparata in conformità con la procedura ASTM C 109 e contiene 118% di citramalato di sodio sulla base del peso del cemento con un rapporto fra acqua e cemento di 0,40 e si determina che essa presenta i seguenti tempi di presa: Presa iniziale: 3 minuti
Presa finale: 5 minuti.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Composizione cementizia a presa rapida comprendente cemento idraulico ed almeno il 4% in peso, sulla base del peso del cemento, di almeno uno fra ci trato, malato o citramalato solubile in acqua.
- 2. Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui la composizione contiene ulteriormente acqua per la presa idraulica del cemento.
- 3. Composizione secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il citrato, malato o citramalato solubile in acqua è un citrato, malato o ci_ tramalto di metallo alcalino.
- 4. Composizione secondo una qualsiasi delle ri vendicazioni 1-3, in cui il citrato di metallo alcali_ no viene scelto fra citrato potassico, malato dipotas_ sico e citramalato dipotassico.
- 5. Composizione secondo una qualsiasi delle ri_ vendicazioni 1-4, in cui il citrato, malato o citrama. lato è presente in quantità fra 5,0% e 8,5% in peso, in base al peso del cemento.
- 6. Procedimento per formare rapidamente in posto una struttura cementizia, consistente nel mescola re una composizione cementizia con almeno il 4% in pe so, sulla base del peso del cemento, di almeno un citrato, malato o citramalato solubile in acqua in presenza di acqua sufficiente per la presa idraulica del cemento, nell'erogare la risultante composizione mentre è fluida al posto dì realizzazione della struttura cementizia e nel formare la struttura cementizia.
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui la composizione cementizia viene erogata pneumaticamente attraverso un ugello al posto di realizza zìone della struttura cementizia.
- 8. Procedimento secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, in cui il citrato, malato o cltramalato nella forma di una soluzione acquosa di citrato, malato o citramalato viene mescolato con la composizione cementizia immediatamente prima della sua erogazione dall'ugello.
- 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle ri_ vendicazioni 6-8, in cui il citrato, malato o citrama lato è presente in quantità fra 5,0% e 8,5% in peso, in base al peso del cemento.
- 10. Impiego di almeno un citrato, malato o citramalato solubile In acqua nella formazione rapida sul posto di una struttura cementizia, consistente nel mescolare una composizione cementizia e nell'erogare la composizione risultante mentre è fluida al po sto di realizzazione della struttura cementizia, in cui al miscuglio si aggiunge almeno il 4% in peso, sulla base del peso del cemento, di un citrato, malato o citramalato solubile in acqua in presenza di acqua sufficiente per la presa idraulica del cemento e tale che la composizione erogata presenti una presa iniziale nel giro di 20 minuti dal momento in cui il cemento viene mescolato sia con l'acqua sia con il citrato, malato o citramalato.
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